Comme mentionné dans le Chapitre1(sous partie 1.2.4), les substrats de diamant HPHT polis mécaniquement possèdent une zone écrouie jusqu’à une profondeur de quelques microns. Dans la littérature, diverses méthodes ont été évaluées pour éli- miner rapidement la zone écrouie et améliorer l’état de surface des échantillons.
Dans le cadre de mes travaux, j’ai utilisé une méthode de pulvérisation catho- dique agissant comme une gravure ionique réactive (RIE, Reactive Ion Etching). Comparée aux gravures réalisées in situ dans les réacteurs de croissance (plasma H2, H2/O2. . . ), cette méthode présente l’avantage de graver rapidement les défauts
surfaciques (>5 µm.h−1) tout en conservant une surface lisse. Plusieurs échantillons peuvent être traités en même temps grâce à la taille du plasma.
Principe de la Gravure Ionique Réactive
Un plasma est initié dans une enceinte sous vide (10−2à 10−1Torr) dans laquelle
ont été injectés des gaz réactants. Un champ électromagnétique radiofréquence (RF) de plusieurs centaines de Watt à une fréquence de 13.6 MHz est appliqué. Le champ électrique oscillant, ionise les molécules des gaz en leur soutirant leurs électrons, créant un plasma (Figure2.1).
FIGURE2.1 – Schéma de fonctionnement d’un appareil de gravure RIE
Sous l’effet du champ RF, les électrons issus du plasma sont accélérés de haut en bas dans la chambre. Lorsqu’ils frappent les parois de la chambre qui sont reliées à la masse, les électrons sont absorbés dans le circuit électrique. La cathode sur laquelle est posé l’échantillon à graver est isolée du reste de la chambre. Les électrons s’ac- cumulent à sa surface, la polarisant négativement (auto-polarisation). Ceci crée une différence de potentiel de quelques centaines de volts entre la cathode et le plasma qui est en majorité composé d’ions positifs. Cette différence de potentiel va accélérer
2.1. Prétraitement des substrats et croissance de films de diamant dopés au bore les ions vers la cathode et vont ainsi bombarder l’échantillon et graver sa surface.
Les gaz sont choisis en fonction du matériau à graver. Les ions vont réagir chimi- quement avec celui-ci, mais également pulvériser les atomes de la surface en trans- férant une partie de leur énergie cinétique. On obtient alors une combinaison de mécanismes de gravure physiques et chimiques. En jouant sur la nature des gaz injectés, on peut favoriser l’un des deux types de gravure. L’ajout d’oxygène permet de rendre le plasma plus réactif chimiquement en générant plus d’ions et de radi- caux réactifs et donc d’augmenter la vitesse de gravure. Au contraire, l’ajout d’un gaz inerte comme l’argon rend le plasma moins réactif chimiquement et augmente la gravure physique.
Il existe de multiples variantes à la méthode RIE, la plus connue reste l’ICP-RIE (ICP, Inductively Coupled Plasma). Deux sources RF indépendantes sont actionnées, l’une crée le plasma dans la chambre, la deuxième est directement utilisée sur la cible pour accélérer les ions du plasma vers celle-ci. Ainsi, on obtient un contrôle indépendant de la densité du plasma et de son énergie, il en résulte une vitesse de gravure accrue.
Bâti de PVD (Physical Vapor Deposition) pour la gravure ionique réactive
Le bâti de gravure (Figure 2.2) utilisé est un appareil développé par la société Plassys pour les besoins du laboratoire. Il est utilisé pour le dépôt de couches métal- liques par pulvérisation cathodique d’une cible constituée du métal à déposer.
FIGURE2.2 –Schéma du bâti de gravure PVD utilisé au LCD
Lorsque le bâti est utilisé en configuration de gravure, le substrat de diamant est placé sur la cible en métal (inox). Afin d’obtenir une gravure ionique réactive, de l’oxygène est ajouté à l’argon. Une attaque chimique des atomes de carbone du dia- mant par les ions oxygène s’ajoute à la pulvérisation physique par les ions argon (cf Chapitre1, sous partie 1.1.1). Le masquage des échantillons pour évaluer la vitesse de gravure se fait en plaçant un autre échantillon monocristallin par-dessus.
Le bâti est équipé :
— D’un générateur RF de 600 W fonctionnant à une fréquence de 13.6 MHz — D’une pompe turbo-moléculaire couplée à une pompe primaire permettant
d’atteindre une pression de 10−7mbar dans l’enceinte après 48h de pompage — D’aimants disposés en dessous de la cible, le champ magnétique généré aug-
mentant la densité des électrons près de la cible et donc le nombre d’ionisation des atomes de gaz.
La tension d’auto-polarisation de l’ensemble est dépendante de la valeur de puis- sance RF choisie. Le bâti ne possède pas de régulation de pression, celle-ci se fait en fonction du débit de gaz injecté.
2.1.2 Réacteurs de croissance de films de diamant dopés au bore par MPCVD
La réalisation d’un composant électronique nécessite des couches de diamant ac- tives pouvant posséder des niveaux de dopages radicalement différents. C’est-à-dire des dopages faibles (<1016 at.cm−3) pour la partie active du composant, et des do- pages au-dessus de la transition métallique (>4×1020at.cm−3). C’est pourquoi deux
réacteurs de croissance, chacun dédié à des gammes de dopage au bore différentes, ont été utilisés dans mes travaux de thèse.
Bâti de croissance ENDORA pour les très faibles dopages au bore
Au Laboratoire Capteurs Diamant (LCD), il existe des réacteurs servant à la crois- sance de diamant intrinsèque. Cependant, l’utilisation de bore dans ces cavités im- pliquerait leur contamination définitive. Un autre réacteur MPCVD dédié au fort dopage au bore (BAOBAB, présenté dans la section suivante), possède un niveau de bore résiduel trop élevé pour atteindre de façon répétable des faibles et forts dopages dans la même cavité. C’est pourquoi dans le cadre de cette thèse, j’ai entièrement as- semblé le réacteur à parois métalliques ENDORA (Figure2.3).
Ce nouveau réacteur ne contient pas de contamination préalable au bore. Le ni- veau résiduel de bore quasi nul permet, avec des ajouts faibles de triméthylbore (TMB) et d’oxygène, d’atteindre un niveau de dopage au bore très bas.
Le réacteur comporte un générateur micro-onde Sairem allant jusqu’à une puis- sance de 2 kW avec un magnétron fonctionnant à une fréquence de 2.45 GHz. Le vide dans la cavité se fait par une pompe turbo moléculaire associée à une pompe pri- maire. Un vide secondaire de l’ordre de 10−8Torr est obtenu après 24 h de pompage. Ainsi, une désorption efficace des espèces adsorbées sur les parois a lieu évitant la contamination des couches. La lecture de la pression dans la gamme de 10−3à 10−9
mbar se fait grâce à des jauges de type Penning.
Un pyromètre à disparition de filament a été installé sur un hublot pour éva- luer la température des substrats de diamant. Il est capable de lire des températures allant de 700 à 1400 °C. Son principe de mesure est présenté à la Figure2.4. Ce pyro- mètre permet de mesurer avec plus de précision (± 10 °C) la température du diamant comparé au pyromètre infrarouge. L’émissivité du diamant est en effet négligeable
2.1. Prétraitement des substrats et croissance de films de diamant dopés au bore
FIGURE2.3 –Bâti de croissance ENDORA pour les couches de dia- mant faiblement dopées au bore
par rapport à celle du porte-substrat en molybdène. La température mesurée avec un pyromètre infrarouge serait celle du porte-substrat.
FIGURE2.4 –Principe du pyromètre à disparition à filament [1]
L’introduction de l’échantillon et de son porte-substrat dans le réacteur se fait par un sas constitué d’une porte en acier inox (Figure2.3). L’ensemble est transféré dans la cavité de croissance par un translateur en z.
Les espèces gazeuses sont acheminées des bouteilles à la cavité et leurs flux sont contrôlés par des débitmètres massiques MKS d’étendue propre à chaque gaz. Les gaz pouvant être injectés dans le réacteur ENDORA sont l’hydrogène (500 sccm), le méthane (20 sccm), le TMB (1 sccm) et l’oxygène (10 sccm). L’homoépitaxie des monocristaux de diamant se déroule dans des gammes de puissance et de pression de 300-1000 W et 30-150 mbar, respectivement.
Bâti de croissance pour les forts dopages au bore (>4×10 at.cm )
Le réacteur MPCVD BAOBAB est un bâti construit au laboratoire utilisé pour l’homoépitaxie de films de diamant monocristallin et polycristallin dopés au bore. Le type de la cavité est similaire à celui du réacteur ENDORA présenté précédem- ment. Les différents gaz injectables sont l’hydrogène, le méthane, l’oxygène et le TMB dilué à 100 ppm dans de l’hydrogène. Le générateur micro-onde peut aller jus- qu’à une puissance de 2 kW et fonctionne à une fréquence de 2.45 GHz.
Un débitmètre massique ayant une étendue élevée de 100 sccm est utilisé pour le TMB. Ceci permet d’obtenir des concentrations de bore supérieures à 1020 at.cm−3 [2, 3]. A la suite de croissances répétées à fort dopage, la forte contamination des parois de la cavité par le bore donne un niveau résiduel supérieur à 1018at.cm−3.